سیستم‌های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا یا HVDC یکی از روش‌های مهم برای انتقال توان الکتریکی در فواصل طولانی هستند. در این روش، توان الکتریکی ابتدا در سمت فرستنده از حالت جریان متناوب به جریان مستقیم تبدیل شده و پس از عبور از خط انتقال DC، در سمت گیرنده مجدداً به جریان متناوب تبدیل می‌شود. استفاده از HVDC در انتقال توان‌های زیاد، به‌ویژه در فواصل طولانی، می‌تواند مزایایی مانند کنترل‌پذیری مناسب توان، کاهش برخی تلفات و امکان اتصال شبکه‌هایی با شرایط متفاوت را فراهم کند.

در این شبیه‌سازی، عملکرد ماندگار و گذرای یک سیستم انتقال HVDC ساده با ظرفیت نامی ۵۰۰ مگاوات بررسی می‌شود. سیستم موردنظر با ولتاژ DC برابر ۲۵۰ کیلوولت و جریان نامی ۲ کیلوآمپر طراحی شده و از یک مبدل یکسوساز ۶ پالسه، خط انتقال DC با طول ۳۰۰ کیلومتر، راکتورهای هموارساز و یک ساختار ساده برای مدل‌سازی اینورتر تشکیل شده است. همچنین رفتار سیستم در شرایط تغییر مرجع جریان و وقوع خطای DC روی خط انتقال بررسی می‌شود.

ساختار کلی سیستم انتقال HVDC

در این مدل، توان الکتریکی از یک شبکه AC با ولتاژ ۳۱۵ کیلوولت و ظرفیت اتصال کوتاه معادل ۵۰۰۰ MVA دریافت می‌شود. این شبکه به‌صورت یک معادل دمپ‌شده LLR مدل شده است. زاویه امپدانس این شبکه در فرکانس ۶۰ هرتز و همچنین هارمونیک سوم برابر ۸۰ درجه در نظر گرفته شده است. چنین مدلی امکان بررسی مناسب رفتار شبکه AC در برابر اثرات ناشی از عملکرد مبدل را فراهم می‌کند.

در بخش تبدیل AC به DC، ترانسفورماتور مبدل و یکسوساز به‌ترتیب با استفاده از بلوک‌های Universal Transformer و Universal Bridge مدل‌سازی شده‌اند. یکسوساز مورد استفاده در این ساختار از نوع ۶ پالسه است. مبدل ۶ پالسه یکی از ساختارهای پایه در سیستم‌های HVDC مبتنی بر تریستور محسوب می‌شود و در نتیجه عملکرد آن باعث ایجاد مؤلفه‌های هارمونیکی مشخصی در جریان و ولتاژ AC و DC می‌شود.

خط انتقال و راکتورهای هموارساز

خروجی یکسوساز از طریق یک راکتور هموارساز با اندوکتانس ۰٫۵ H به یک خط انتقال DC متصل می‌شود. خط انتقال دارای طول ۳۰۰ کیلومتر است و با استفاده از مدل پارامترهای توزیع‌شده شبیه‌سازی می‌شود. استفاده از مدل پارامترهای توزیع‌شده در چنین فاصله‌ای اهمیت دارد، زیرا در خطوط طولانی، اثرات ناشی از توزیع پارامترهای الکتریکی خط را نمی‌توان به‌سادگی با یک مدل متمرکز جایگزین کرد.

راکتور هموارساز وظیفه مهمی در کاهش تغییرات جریان DC دارد. از آنجا که خروجی یکسوساز ۶ پالسه دارای ریپل است، وجود اندوکتانس سری باعث می‌شود جریان DC یکنواخت‌تر شده و تغییرات سریع جریان کاهش پیدا کند. این موضوع علاوه بر بهبود کیفیت جریان، در عملکرد سیستم کنترل جریان و رفتار سیستم هنگام بروز خطا نیز تأثیرگذار است.

مدل‌سازی اینورتر

در سمت دریافت‌کننده، اینورتر در این شبیه‌سازی به‌صورت ساده مدل شده است. این بخش شامل یک منبع ولتاژ DC است که با یک دیود به‌صورت سری قرار گرفته و یک راکتور هموارساز نیز در مسیر آن وجود دارد. دیود برای ایجاد هدایت یک‌طرفه در مدل استفاده شده است.

در یک سیستم HVDC واقعی، ساختار اینورتر می‌تواند بسیار پیچیده‌تر از مدل استفاده‌شده در این شبیه‌سازی باشد. با این حال، هدف مدل حاضر تمرکز بر عملکرد یکسوساز، کنترل جریان DC، خط انتقال و رفتار سیستم در برابر خطای DC است؛ بنابراین می‌توان بخش اینورتر را با یک مدل ساده‌تر نمایش داد.

جبران توان راکتیو و فیلترهای AC

مبدل‌های HVDC مبتنی بر تریستور برای عملکرد خود به توان راکتیو نیاز دارند. به همین دلیل، در سمت AC مجموعه‌ای از فیلترها برای تأمین توان راکتیو موردنیاز و کاهش هارمونیک‌های تولیدشده توسط مبدل استفاده شده است.

در این مدل، مجموعه فیلترها شامل بانک خازنی به همراه فیلترهای تنظیم‌شده برای هارمونیک‌های پنجم و هفتم و همچنین یک فیلتر بالاگذر است. مجموع توان راکتیو این مجموعه برابر با ۳۲۰ Mvar در نظر گرفته شده است.

بانک خازنی علاوه بر تأمین توان راکتیو، در رفتار ولتاژ شبکه AC نیز اثرگذار است. فیلترهای تنظیم‌شده نیز برای ایجاد مسیر مناسب جهت جریان‌های هارمونیکی طراحی شده‌اند. در نتیجه، جریان‌های هارمونیکی تولیدشده توسط مبدل تا حد قابل‌توجهی کاهش پیدا می‌کنند.

سیستم کنترل جریان DC

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، سیستم کنترل جریان DC است. جریان DC در خروجی یکسوساز اندازه‌گیری شده و با جریان مرجع مقایسه می‌شود. اختلاف بین مقدار مرجع و مقدار اندازه‌گیری‌شده به ورودی کنترل‌کننده PI داده می‌شود.

کنترل‌کننده PI تلاش می‌کند خطای جریان را به صفر برساند. خروجی این کنترل‌کننده، زاویه آتش α موردنیاز برای واحد همزمان‌سازی است. زاویه آتش یکی از پارامترهای اصلی کنترل در یکسوسازهای تریستوری محسوب می‌شود و تغییر آن باعث تغییر ولتاژ متوسط خروجی یکسوساز و در نتیجه تغییر جریان DC می‌شود.

در مدل، دو ورودی در نظر گرفته شده‌اند که امکان عبور از عملکرد عادی کنترل‌کننده و اعمال مستقیم زاویه آتش را فراهم می‌کنند. این قابلیت به‌خصوص هنگام بررسی شرایط خطا اهمیت دارد، زیرا سیستم حفاظتی می‌تواند در شرایط خاص زاویه آتش را به مقدار مشخصی تحمیل کند.

نمونه‌برداری و گسسته‌سازی سیستم

کل سیستم کنترل در این شبیه‌سازی به‌صورت گسسته پیاده‌سازی شده است. زمان نمونه‌برداری برابر با رابطه زیر است:

Ts = 1 / (360 × 64) = 43.4 μs

این زمان نمونه‌برداری کوچک باعث می‌شود تغییرات سریع سیگنال‌های الکتریکی و عملکرد سیستم کنترل با دقت مناسبی ثبت شوند. در محیط Matlab، با قرار دادن زمان نمونه‌برداری روی صفر می‌توان مدل را به حالت انتگرال‌گیری پیوسته برای سیستم قدرت تغییر داد.

راه‌اندازی و رسیدن به حالت ماندگار

در ابتدای شبیه‌سازی، سیستم از حالت اولیه شروع کرده و به‌تدریج به وضعیت ماندگار می‌رسد. در بازه زمانی ۰ تا ۰٫۳ ثانیه، جریان مرجع برابر با ۰٫۵ pu است که معادل ۱ کیلوآمپر خواهد بود.

جریان DC از مقدار صفر شروع شده و تقریباً طی ۰٫۱ ثانیه به مقدار ماندگار خود می‌رسد. هم‌زمان، کنترل‌کننده جریان زاویه آتش مناسب را تنظیم می‌کند. برای ایجاد جریان ۰٫۵ pu، زاویه آتش در حدود ۳۰ درجه قرار می‌گیرد.

این قسمت از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کنترل‌کننده PI قادر است جریان خروجی یکسوساز را با مقدار مرجع مقایسه کرده و زاویه آتش را به‌گونه‌ای تنظیم کند که جریان به مقدار تعیین‌شده برسد.

تغییر جریان مرجع از ۱ به ۲ کیلوآمپر

در زمان ۰٫۳ ثانیه، جریان مرجع از ۰٫۵ pu به مقدار نامی یعنی ۱ pu افزایش پیدا می‌کند. از آنجا که جریان نامی سیستم برابر ۲ کیلوآمپر است، مقدار مرجع جدید برابر با ۲ کیلوآمپر خواهد بود.

کنترل‌کننده جریان به این تغییر پاسخ می‌دهد و جریان را به مقدار جدید هدایت می‌کند. پاسخ تنظیم‌کننده تقریباً در مدت ۰٫۱ ثانیه یا حدود ۶ سیکل به وضعیت جدید می‌رسد. در همین زمان، زاویه آتش از حدود ۳۰ درجه به تقریباً ۱۵ درجه کاهش پیدا می‌کند.

این رفتار نشان می‌دهد که تغییر زاویه آتش می‌تواند برای کنترل مقدار جریان DC مورد استفاده قرار گیرد. کاهش زاویه آتش موجب افزایش شرایط مناسب برای انتقال توان در یکسوساز شده و جریان را به سمت مقدار مرجع جدید هدایت می‌کند.

اعمال خطای DC روی خط انتقال

یکی از مهم‌ترین بخش‌های شبیه‌سازی، بررسی رفتار سیستم در برابر خطای DC است. برای این منظور، یک کلید قدرت در سمت یکسوساز قرار گرفته است که امکان اعمال خطای DC روی خط را فراهم می‌کند.

در زمان ۰٫۵ ثانیه خطای DC اعمال می‌شود. در نتیجه، جریان خطا به سرعت افزایش یافته و به حدود ۵ کیلوآمپر می‌رسد. جریان Id نیز در مدت حدود ۱۰ میلی‌ثانیه تا مقدار تقریبی ۲ pu یا ۴ کیلوآمپر افزایش پیدا می‌کند.

افزایش شدید جریان نشان می‌دهد که خطای DC می‌تواند در مدت بسیار کوتاهی شرایط الکتریکی سیستم را تغییر دهد. به همین دلیل، سیستم‌های HVDC به حفاظت‌های سریع نیاز دارند. در این شبیه‌سازی، عملکرد تنظیم‌کننده سریع جریان نیز باعث می‌شود جریان پس از افزایش اولیه به سمت مقدار مرجع هدایت شود.

عملکرد حفاظتی و انتقال انرژی ذخیره‌شده

در زمان ۰٫۵۵ ثانیه، سیستم حفاظتی زاویه آتش را به‌صورت اجباری به حدود ۱۶۵ درجه افزایش می‌دهد. این حالت زمانی فعال می‌شود که ورودی Forced_alpha کنترل‌کننده جریان مقدار یک دریافت کند.

با افزایش زاویه آتش، یکسوساز وارد حالت عملکرد معکوس یا اصطلاحاً حالت اینورتری می‌شود. در این وضعیت، انرژی ذخیره‌شده در خط انتقال DC به سمت شبکه AC با ولتاژ ۳۴۵ کیلوولت بازگردانده می‌شود. هدف این عملکرد، کمک به کاهش سریع جریان خطا است.

جریان قوس ناشی از خطا در نتیجه این تغییر عملکرد به سرعت کاهش پیدا می‌کند. در حدود ۰٫۵۵۵ ثانیه، زمانی که جریان خطا از صفر عبور می‌کند، خطا پاک می‌شود. این قسمت از شبیه‌سازی اهمیت بسیار زیاد عملکرد سریع حفاظت و کنترل در سیستم‌های HVDC را نشان می‌دهد.

بازگشت سیستم به حالت ماندگار

پس از پاک شدن خطا، در زمان حدود ۰٫۵۷ ثانیه، سیستم کنترل مجدداً آزاد می‌شود و کنترل جریان DC را بر عهده می‌گیرد. کنترل‌کننده جریان تلاش می‌کند مقدار جریان را به مرجع تعیین‌شده بازگرداند.

پس از گذر از شرایط گذرا، جریان دوباره به مقدار ۱ pu می‌رسد. بر اساس نتایج شبیه‌سازی، سیستم در حدود ۰٫۷۵ ثانیه مجدداً به وضعیت ماندگار می‌رسد. این پاسخ نشان می‌دهد که سیستم کنترل قادر است پس از یک اغتشاش شدید، شرایط کاری عادی را بازیابی کند.

تحلیل فرکانسی ولتاژ و جریان AC و DC

علاوه بر بررسی پاسخ زمانی، امکان انجام تحلیل فرکانسی سیگنال‌های سیستم نیز وجود دارد. برخی از سیگنال‌های نمایش‌داده‌شده در Scope2 در متغیری با نام psbhvdc_str از نوع Structure with Time ذخیره شده‌اند.

این مجموعه داده شامل ولتاژهای AC، جریان‌های AC و ولتاژهای DC در سمت یکسوساز و سمت خط راکتور هموارساز است. برای بررسی طیف فرکانسی، می‌توان از ابزار FFT Analysis موجود در Powergui استفاده کرد.

در پنجره FFT، ساختار موردنظر انتخاب شده و تحلیل در محدوده ۰ تا ۲۰۰۰ هرتز انجام می‌شود. پنجره تحلیل از دو سیکل آخر ثبت سیگنال انتخاب شده و زمان شروع آن برابر با حدود ۰٫۸ – ۲/۶۰ ثانیه است. این انتخاب امکان بررسی رفتار فرکانسی سیستم پس از رسیدن به وضعیت ماندگار را فراهم می‌کند.

هارمونیک‌های مبدل ۶ پالسه

یکی از نتایج مهم تحلیل FFT، مشاهده هارمونیک‌های جریان AC است. برای یک مبدل ۶ پالسه، هارمونیک‌های مشخصی با رابطه 6n ± 1 ایجاد می‌شوند که در آن n برابر ۱، ۲، ۳ و … است.

در نتیجه، هارمونیک‌های اصلی جریان AC شامل هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و مراتب بالاتر خواهند بود. دامنه این هارمونیک‌ها معمولاً نسبت به مؤلفه اصلی جریان بیان می‌شود.

وجود فیلترهای تنظیم‌شده در سمت AC باعث کاهش هارمونیک‌های مهم تولیدشده توسط مبدل می‌شود. در این مدل، دو فیلتر به‌طور مشخص برای هارمونیک‌های پنجم و هفتم تنظیم شده‌اند. بنابراین، هنگام بررسی طیف ولتاژ AC انتظار می‌رود مؤلفه‌های هارمونیکی پنجم و هفتم نسبت به حالت بدون فیلتر کاهش قابل‌توجهی داشته باشند.

هارمونیک‌های ولتاژ DC

تحلیل FFT تنها به سیگنال‌های AC محدود نمی‌شود و می‌توان محتوای هارمونیکی ولتاژ DC را نیز بررسی کرد. برای این منظور، ورودی Vd VdL (pu) در ابزار FFT انتخاب می‌شود.

در این حالت می‌توان ولتاژ DC در سمت یکسوساز Vd یا ولتاژ DC در سمت خط VdL را بررسی کرد. در یک مبدل ۶ پالسه، هارمونیک‌های ولتاژ DC عمدتاً از مرتبه‌های 6n هستند. این موضوع مستقیماً به تعداد پالس‌های مبدل مربوط می‌شود.

نمایش این هارمونیک‌ها به‌صورت درصدی از مؤلفه DC به مهندس اجازه می‌دهد کیفیت ولتاژ خروجی یکسوساز و تأثیر راکتور هموارساز و خط انتقال را ارزیابی کند. با مقایسه ولتاژ در دو طرف راکتور نیز می‌توان اثر این عنصر را بر ریپل جریان و ولتاژ DC بررسی کرد.

اهمیت شبیه‌سازی سیستم HVDC در Matlab

شبیه‌سازی چنین سیستمی در Matlab امکان بررسی هم‌زمان چندین پدیده مهم در سیستم‌های انتقال HVDC را فراهم می‌کند. در یک مدل واحد می‌توان رفتار ماندگار، پاسخ گذرا، کنترل جریان، تغییر زاویه آتش، وقوع خطای DC، عملکرد حفاظتی و همچنین محتوای هارمونیکی سیگنال‌ها را بررسی کرد.

مدل حاضر همچنین نمونه مناسبی برای مطالعه ارتباط میان بخش قدرت و سیستم کنترل است. تغییر جریان مرجع مستقیماً بر عملکرد کنترل‌کننده PI و زاویه آتش اثر می‌گذارد و تغییر زاویه آتش نیز شرایط ولتاژ و جریان سمت DC را تغییر می‌دهد. از طرف دیگر، وقوع خطا باعث می‌شود کنترل عادی کافی نباشد و سیستم حفاظتی با اعمال زاویه آتش اجباری وارد عمل شود.

از منظر تحلیل کیفیت توان نیز وجود فیلترهای AC اهمیت زیادی دارد. مبدل ۶ پالسه ذاتاً هارمونیک‌هایی در شبکه ایجاد می‌کند و فیلترهای تنظیم‌شده برای کاهش مؤلفه‌های مشخصی از این هارمونیک‌ها به کار می‌روند. با استفاده از FFT Analysis در Powergui می‌توان میزان هارمونیک‌ها را پیش و پس از فیلتر بررسی کرد و تأثیر طراحی فیلتر را به‌صورت کمی ارزیابی نمود.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم انتقال HVDC با ظرفیت ۵۰۰ مگاوات و ساختار ساده ۶ پالسه در Matlab بررسی شد. سیستم از یک شبکه AC با ظرفیت ۵۰۰۰ MVA، ترانسفورماتور مبدل، یکسوساز ۶ پالسه، راکتور هموارساز ۰٫۵ H، خط انتقال DC به طول ۳۰۰ کیلومتر، بخش اینورتر ساده و مجموعه فیلترهای AC تشکیل شده است.

نتایج نشان می‌دهند که سیستم کنترل PI می‌تواند جریان DC را در مقدار مرجع تنظیم کند. ابتدا جریان ۱ کیلوآمپر به‌عنوان مقدار ۰٫۵ pu اعمال شده و سپس مقدار مرجع به ۲ کیلوآمپر افزایش پیدا می‌کند. تغییر زاویه آتش از حدود ۳۰ به ۱۵ درجه، پاسخ مناسب یکسوساز برای رسیدن به جریان جدید را نشان می‌دهد.

در مرحله بعد، با اعمال خطای DC جریان خطا به مقدار زیادی افزایش پیدا می‌کند. سیستم حفاظتی با افزایش سریع زاویه آتش تا حدود ۱۶۵ درجه، شرایط عملکرد مبدل را تغییر داده و به کاهش سریع جریان خطا کمک می‌کند. پس از پاک شدن خطا نیز کنترل‌کننده مجدداً فعال شده و جریان سیستم را به مقدار نامی بازمی‌گرداند.

در نهایت، تحلیل FFT امکان بررسی هارمونیک‌های جریان و ولتاژ را فراهم می‌کند. در مبدل ۶ پالسه، هارمونیک‌های جریان AC از خانواده 6n±1 و هارمونیک‌های ولتاژ DC از خانواده 6n هستند. فیلترهای تنظیم‌شده برای هارمونیک‌های پنجم و هفتم نیز برای کاهش مؤلفه‌های مهم هارمونیکی در سمت AC استفاده شده‌اند. بنابراین، این مدل یک نمونه کاربردی برای مطالعه عملکرد ماندگار و گذرای سیستم‌های HVDC، کنترل جریان، رفتار سیستم در برابر خطا و تحلیل هارمونیکی در محیط Matlab به شمار می‌رود.